Sonochémia: aplikačné poznámky

Sonochémia je účinok ultrazvukovej kavitácie na chemické systémy. Vzhľadom na extrémne podmienky, ktoré sa vyskytujú v kavitačnej “Horúce miesto”, výkonový ultrazvuk je veľmi účinná metóda na zlepšenie výsledku reakcie (vyšší výťažok, lepšia kvalita), konverzie a trvania chemickej reakcie. Niektoré chemické zmeny je možné dosiahnuť iba sonikáciou, ako napríklad nanorozmerný cínový povlak titánu alebo hliníka.

Nižšie nájdete výber častíc a kvapalín so súvisiacimi odporúčaniami, ako spracovať materiál za účelom mletia, dispergovania, deaglomerácie alebo úpravy častíc pomocou ultrazvukového homogenizátora.

Nižšie nájdete niekoľko ultrazvukových protokolov pre úspešné sonochemické reakcie!

V abecednom poradí:

α-epoxyketóny – Reakcia na otvorenie krúžku

Ultrazvuková aplikácia:
Katalytické prstencové otvorenie α-epoxyketónov sa uskutočnilo kombináciou ultrazvukových a fotochemických metód. Ako fotokatalyzátor sa použil 1-benzyl-2,4,6-trifenylpyridíniumtetrafluórborát (NBTPT). Kombináciou sonikácie (sonochémie) a fotochémie týchto zlúčenín v prítomnosti NBTPT sa dosiahlo otvorenie epoxidového kruhu. Ukázalo sa, že použitie ultrazvuku výrazne zvýšilo rýchlosť fotoindukovanej reakcie. Ultrazvuk môže vážne ovplyvniť fotokatalytické otváranie kruhu α-epoxyketónov prevažne kvôli efektívnemu prenosu hmoty reaktantov a excitovanému stavu NBTPT. Dochádza tiež k prenosu elektrónov medzi aktívnymi druhmi v tomto homogénnom systéme pomocou sonikácie
rýchlejšie ako systém bez sonikácie. Výhodou tejto metódy sú vyššie výťažky a kratšie reakčné časy.

Ultrazvukom asistované fotokatalytické otváranie α-epoxyketónov (štúdia a grafika: ©Memarian et al 2007)

Protokol sonikácie:
α-epoxyketóny 1a-f a 1-benzyl-2,4,6-trifenylpyridíniumtetrafluórborát 2 boli pripravené podľa uvedených postupov. Metanol bol zakúpený od spoločnosti Merck a pred použitím destilovaný. Použité ultrazvukové zariadenie bolo ultrazvukové snímacie zariadenie UP400S od spoločnosti Hielscher Ultrasonics GmbH. Ultrazvukový ponorný klaksón S3 (tiež známy ako sonda alebo sonotrode) vyžarujúci ultrazvuk 24 kHz pri úrovniach intenzity laditeľných až do maximálnej hustoty zvukového výkonu 460 Wcm^-2 bol použitý. Sonikácia sa uskutočňovala pri 100 % (maximálna amplitúda 210 μm). Sonotróda S3 (maximálna hĺbka ponorenia 90 mm) bola ponorená priamo do reakčnej zmesi. UV žiarenie bolo vykonané pomocou 400W vysokotlakovej ortuťovej lampy z Narvy s chladením vzoriek v duranovom skle. Tá ¹H NMR spektrá zmesi fotoproduktov boli merané v CDCl₃ roztoky obsahujúce tetrametylsilán (TMS) ako vnútorný štandard na Bruker drx-500 (500 MHz). Preparatívna vrstvová chromatografia (PLC) bola vykonaná na 20 × 20 cm² platne potiahnuté 1 mm vrstvou Merck silikagélu PF₂₅₄ Pripravené nanesením oxidu kremičitého ako suspenzie a sušením na vzduchu. Všetky produkty sú známe a ich spektrálne údaje boli hlásené skôr.
Odporúčanie zariadenia:
UP400S s ultrazvukovým klaksónom S3
Referenčná/výskumná práca:
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Fotosonochemický katalytický kruhový otvor α-epoxyketónov. Beilsteinov časopis organickej chémie 3/2, 2007.

Katalyzátor hliník/nikel: Nanoštruktúrovanie zliatiny Al/Ni

Ultrazvuková aplikácia:
Častice Al/Ni môžu byť sonochemicky modifikované nanoštruktúrovaním počiatočnej zliatiny Al/Ni. Vyrába sa Therbey, účinný katalyzátor hydrogenácie acetofenónu.
Ultrazvuková príprava katalyzátora Al/Ni:
5 g komerčnej zliatiny Al/Ni bolo rozptýlených v čistenej vode (50 ml) a sonikovaných až 50 min. pomocou ultrazvukového sondového sondového sonikátora UIP1000hd (1kW, 20kHz) vybaveného ultrazvukovým klaksónom BS2d22 (hlava 3,8 cm²) a posilňovač B2-1.8. Maximálna intenzita bola vypočítaná na 140 Wcm⁻² pri mechanickej amplitúde 106 μm. Aby sa zabránilo zvýšeniu teploty počas sonikácie, experiment sa uskutočnil v termostatickej bunke. Po sonikácii sa vzorka vysušila vo vákuu teplovzdušnou pištoľou.
Odporúčanie zariadenia:
UIP1000hd so sonotródou BS2d22 a posilňovacím klaksónom B2–1.2
Referenčná/výskumná práca:
Dulle, Jana; Nemeth, Silke; Skorb, Jekaterina V.; Irrgang, Torsten; Senker, Jürgen; Kempe, Rhett; Fery, Andreas; Andreeva, Daria V. (2012): Sonochemická aktivácia hydrogenačného katalyzátora Al/Ni. Pokročilé funkčné materiály 2012. DOI: 10.1002/adfm.201200437

Transesterifikácia bionafty pomocou katalyzátora MgO

Ultrazvuková aplikácia:
Transesterifikačná reakcia bola študovaná pri konštantnom ultrazvukovom miešaní so sonikátorom UP200S pre rôzne parametre, ako je množstvo katalyzátora, molárny pomer metanolu a oleja, teplota reakcie a trvanie reakcie. Dávkové experimenty sa vykonávali v reaktore z tvrdého skla (300 ml, vnútorný priemer 7 cm) s dvoma uzemnenými vekom. Jeden krk bol spojený titánovou sonotródou S7 (priemer hrotu 7 mm) ultrazvukového procesora UP200S (200W, 24kHz). Amplitúda ultrazvuku bola nastavená na 50 % s 1 cyklom za sekundu. Reakčná zmes bola sonikovaná počas celého reakčného času. Druhé hrdlo reaktorovej komory bolo vybavené prispôsobeným, vodou chladeným kondenzátorom z nehrdzavejúcej ocele na reflux odpareného metanolu. Celý prístroj bol umiestnený do olejového kúpeľa s konštantnou teplotou riadeného proporcionálnym integrálnym derivátovým regulátorom teploty. Teplotu je možné zvýšiť až na 65 °C s presnosťou na ±1 °C. Ako materiál na transesterifikáciu bionafty sa použil odpadový olej, 99,9 % čistého metanolu. Ako katalyzátor bol použitý dymom nanesený nano-veľký MgO (horčíková páska).
Vynikajúci výsledok konverzie bol získaný pri 1,5 hm. % katalyzátora; Molárny pomer metanolového oleja 5:1 pri 55 °C, konverzia 98,7 % sa dosiahla po 45 minútach.
Odporúčanie zariadenia:
UP200S s ultrazvukovou sonotródou S7
Referenčná/výskumná práca:
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Štúdie o sonochemickej výrobe bionafty pomocou dymového katalyzátora Nano MgO. Bulletin chemického reakčného inžinierstva & Katalýza 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Syntéza nanokompozitov kadmia(II)-tioacetamidu

Ultrazvuková aplikácia:
Nanokompozity kadmia(II)-tioacetamidu boli syntetizované v prítomnosti a neprítomnosti polyvinylalkoholu sonochemickou cestou. Na sonochemickú syntézu (sonosyntézu) sa 0,532 g dihydrátu octanu kadmia (II) (Cd(CH3COO)2,2H2O), 0,148 g tioacetamidu (TAA, CH3CSNH2) a 0,664 g jodidu draselného (KI) rozpustilo v 20 ml dvojito destilovanej deionizovanej vody. Toto riešenie bolo sonikované vysokovýkonným ultrazvukovým sondovým ultrazvukom UP400S (24 kHz, 400 W) pri izbovej teplote po dobu 1 hodiny. Počas sonikácie reakčnej zmesi sa teplota zvýšila na 70-80 ° C, merané termočlánkom železo-konštantín. Po jednej hodine sa vytvorila jasne žltá zrazenina. Izoloval sa odstredením (4 000 ot./min., 15 min), premyl sa dvojitou destilovanou vodou a potom absolútnym etanolom, aby sa odstránili zvyškové nečistoty a nakoniec sa vysušil na vzduchu (výťažok: 0,915 g, 68 %). december s.200 °C. Na prípravu polymérneho nanokompozitu sa 1.992 g polyvinylalkoholu rozpustilo v 20 ml dvakrát destilovanej deionizovanej vody a potom sa pridalo do vyššie uvedeného roztoku. Táto zmes bola ultrazvukovo ožarovaná ultrazvukovou sondou UP400S po dobu 1 hodiny, keď sa vytvoril jasne oranžový produkt.
Výsledky SEM preukázali, že v prítomnosti PVA sa veľkosť častíc zmenšila z približne 38 nm na 25 nm. Potom sme syntetizovali hexagonálne nanočastice CdS so sférickou morfológiou z tepelného rozkladu polymérneho nanokompozitu, kadmia(II)-tioacetamidu/PVA ako prekurzora. Veľkosť nanočastíc CdS bola meraná pomocou XRD aj SEM a výsledky sa navzájom veľmi dobre zhodovali.
Ranjbar et al. (2013) tiež zistili, že polymérny nanokompozit Cd(II) je vhodným prekurzorom na prípravu nanočastíc sulfidu kademnatého so zaujímavou morfológiou. Všetky výsledky odhalili, že ultrazvukovú syntézu možno úspešne použiť ako jednoduchú, efektívnu, nízkonákladovú, ekologickú a veľmi sľubnú metódu syntézy nanomateriálov bez potreby špeciálnych podmienok, ako je vysoká teplota, dlhé reakčné časy a vysoký tlak.
Odporúčanie zariadenia:
UP400S
Referenčná/výskumná práca:
Ranjbar, M.; Mostafa Yousefi, M.; Nozari, R.; Sheshmani, S. (2013): Syntéza a charakterizácia nanokompozitov kadmia-tioacetamidu. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203-212.

CaCO3 – Ultrazvukom potiahnuté kyselinou stearovou

Ultrazvuková aplikácia:
Ultrazvukový povlak nano-vyzrážaného CaCO₃ (NPCC) s kyselinou stearovou na zlepšenie jej disperzie v polymére a na zníženie aglomerácie. 2 g nepotiahnutého nanovyzrážaného CaCO₃ (NPCC) bol sonikovaný sonikátorom UP400S v 30 ml etanolu. 9 hmotnostných % kyseliny stearovej bolo rozpustených v etanole. Etanol s kyselinou stearovou sa potom zmiešal so sonifikovanou suspenziou.
Odporúčanie zariadenia:
UP400S so sonotródou s priemerom 22 mm (H22D) a prietokovým článkom s chladiacim plášťom
Referenčná/výskumná práca:
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, AR (2009): Účinky ultrazvuku pri poťahovaní nano-vyzrážaného CaCO3 kyselinou stearovou. Ázijsko-tichomorský časopis chemického inžinierstva 4/5, 2009. 807-813.

Silán dopovaný dusičnanom céru

Ultrazvuková aplikácia:
Ako kovové podklady sa použili panely z uhlíkovej ocele valcované za studena (6,5 cm, 6,5 cm, 0,3 cm; chemicky vyčistené a mechanicky leštené). Pred nanesením náteru boli panely ultrazvukom vyčistené acetónom a potom vyčistené alkalickým roztokom (0,3 mol roztoku L1 NaOH) pri 60 °C počas 10 minút. Na použitie ako základný náter sa pred predbežnou úpravou substrátu zriedila typická formulácia obsahujúca 50 dielov γ-glycidoxypropyltrimetoxysilánu (γ-GPS) asi 950 dielmi metanolu pri pH 4,5 (upravenom kyselinou octovou) a umožnila sa hydrolýza silánu. Postup prípravy dopovaného silánu pigmentmi dusičnanu céru bol rovnaký, s tým rozdielom, že do roztoku metanolu sa pred pridaním (γ-GPS) pridalo 1, 2, 3 hm. dusičnanu céru, potom sa tento roztok zmiešal s vrtulovým miešadlom pri 1600 ot./min po dobu 30 minút pri izbovej teplote. Potom sa disperzie obsahujúce dusičnan céru sonikovali 30 minút pri 40 °C s vonkajším chladiacim kúpeľom. Proces ultrazvuku bol vykonaný pomocou ultrazvukového prístroja UIP1000hd (1000 W, 20 kHz) so vstupným ultrazvukovým výkonom okolo 1 W/ml. Predúprava substrátu sa uskutočnila oplachovaním každého panelu po dobu 100 sekúnd vhodným roztokom silánu. Po ošetrení sa panely nechali 24 hodín sušiť pri izbovej teplote, potom boli vopred upravené panely potiahnuté dvojbalením amínom vytvrdeným epoxidom. (Epon 828, shell Co.) na vytvorenie hrúbky mokrého filmu 90 μm. Panely potiahnuté epoxidom sa nechali vytvrdnúť 1 hodinu pri 115 °C po vytvrdnutí epoxidových náterov; Hrúbka suchého filmu bola asi 60 μm.
Odporúčanie zariadenia:
UIP1000hd
Referenčná/výskumná práca:
Zaferani, S.H.; Peikari, M.; Zaarei, D.; Danaei, I. (2013): Elektrochemické účinky silánových predbežných úprav obsahujúcich dusičnan cérnatý na katódové disbondačné vlastnosti ocele potiahnutej epoxidom. Časopis adhéznej vedy a technológie 27/22, 2013. 2411–2420.

Medeno-hliníkové konštrukcie: Syntéza poréznych Cu-Al rámcov

Ultrazvuková aplikácia:
Porézna meď a hliník stabilizovaný oxidom kovu je sľubným novým alternatívnym katalyzátorom pre dehydrogenáciu propánu, ktorý neobsahuje vzácne alebo nebezpečné kovy. Štruktúra oxidovanej pórovitej zliatiny Cu-Al (kovová špongia) je podobná kovom Raneyho typu. Vysokovýkonný ultrazvuk je nástroj zelenej chémie na syntézu poréznych medeno-hliníkových konštrukcií stabilizovaných oxidom kovu. Sú lacné (výrobné náklady cca 3 EUR/liter) a metóda sa dá ľahko rozšíriť. Tieto nové pórovité materiály (alebo "kovové špongie") majú objem zliatiny a oxidovaný povrch a môžu katalyzovať dehydrogenáciu propánu pri nízkych teplotách.
Postup prípravy ultrazvukového katalyzátora:
Päť gramov prášku zo zliatiny Al-Cu bolo rozptýlených v ultračistej vode (50 ml) a sonikovaných 60 minút pomocou sondového typu Hielscher UIP1000hd (20 kHz, max. výstupný výkon 1000 W). Prístroj typu ultrazvukovej sondy bol vybavený sonotródou BS2d22 (plocha hrotu 3,8 cm²) a posilňovací klaksón B2–1.2. Maximálna intenzita bola vypočítaná na 57 W/cm² pri mechanickej amplitúde 81 μm. Počas ošetrenia sa vzorka ochladila v ľadovom kúpeli. Po ošetrení sa vzorka sušila pri 120 °C po dobu 24 hodín.
Odporúčanie zariadenia:
UIP1000hd so sonotródou BS2d22 a posilňovacím klaksónom B2–1.2
Referenčná/výskumná práca:
Schäferhans, Jana; Gómez-Quero, Santiago; Andreeva, Daria V.; Rothenberg, Gadi (2011): Nové a účinné katalyzátory dehydrogenácie meď-hliník propán. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.

Degradácia fatlocyanínu medi

Ultrazvuková aplikácia:
Odfarbovanie a deštrukcia metaloftalokyanínov
Fathlocyanín meďnatý sa sonikuje vodou a organickými rozpúšťadlami pri teplote okolia a atmosférickom tlaku v prítomnosti katalytického množstva oxidantu pomocou 500W ultrazvuku UIP500hd so skladacou žľabovou komorou pri výkone 37–59 W/cm²: 5 ml vzorky (100 mg/l), 50 D/D vody s choloformom a pyridínom pri 60 % ultrazvukovej amplitúdy. Reakčná teplota: 20 °C.
Odporúčanie zariadenia:
UIP500hd

Zlato: Morfologická modifikácia nanočastíc zlata

Ultrazvuková aplikácia:
Zlaté nanočastice boli morfologicky modifikované intenzívnym ultrazvukovým ožarovaním. Na fúziu nanočastíc zlata do štruktúry podobnej činke sa zistilo, že postačuje ultrazvukové ošetrenie v trvaní 20 minút v čistej vode a v prítomnosti povrchovo aktívnych látok. Po 60 minútach sonikácie získajú nanočastice zlata vo vode červovitú alebo prstencovú štruktúru. Fúzované nanočastice s guľovitými alebo oválnymi tvarmi boli ultrazvukovo vytvorené v prítomnosti roztokov dodecylsulfátu sodného alebo dodecylamínu.
Protokol ultrazvukového ošetrenia:
Pri ultrazvukovej modifikácii bol roztok koloidného zlata, pozostávajúci z vopred vytvorených nanočastíc zlata chránených citrátom s priemerným priemerom 25 nm (± 7 nm), sonikovaný v uzavretej reaktorovej komore (objem približne 50 ml). Roztok koloidného zlata (0,97 mmol· L^-1) bola ultrazvukom ožiarená vysokou intenzitou (40 W/cm^-2) pomocou ultrazvuku Hielscher UIP1000hdT (20 kHz, 1000 W) vybaveného sonotródou zo zliatiny titánu BS2d18 (priemer hrotu 0,7 palca), ktorý bol ponorený asi 2 cm pod povrch sonikovaného roztoku. Koloidné zlato bolo splynované argónom (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. pred a počas sonikácie rýchlosťou 200 ml·min^-1 na odstránenie kyslíka v roztoku. 35 ml dávky každého roztoku povrchovo aktívnej látky bez pridania dihydrátu citrátu trisodného sa pridalo 15 ml predformovaného koloidného zlata, prebublinkovaného plynným argónom 20 minút pred a počas ultrazvukového ošetrenia.
Odporúčanie zariadenia:
UIP1000hd so sonotródou BS2d18 a reaktorom s prietokovým článkom
Referenčná/výskumná práca:
Radziuk, D.; Grigoriev, D.; Zhang, W.; Su, D.; Möhwald, H.; Shchukin, D. (2010): Ultrazvukom asistovaná fúzia vopred vytvorených nanočastíc zlata. Časopis fyzikálnej chémie C 114, 2010. 1835–1843.

Anorganické hnojivo – Vylúhovanie Cu, Cd a Pb na analýzu

Ultrazvuková aplikácia:
Extrakcia Cu, Cd a Pb z anorganických hnojív na analytické účely:
Na ultrazvukovú extrakciu medi, olova a kadmia sa vzorky obsahujúce zmes hnojiva a rozpúšťadla sonikujú ultrazvukovým zariadením, ako je sonikátor VialTweeter na nepriamu sonikáciu. Vzorky hnojív boli sonikované v prítomnosti 2 ml 50% (v/v) HNO₃ v sklenených skúmavkách po dobu 3 minút. Extrakty Cu, Cd a Pb možno stanoviť plameňovou atómovou absorpčnou spektrometriou (FAAS).
Odporúčanie zariadenia:
VialTweeter
Referenčná/výskumná práca:
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternatívna analytická metóda na stanovenie kovov v anorganických hnojivách založená na extrakcii s ultrazvukom. Časopis Brazílskej chemickej spoločnosti 22/8. 2011. 1519-1524.

Syntéza latexu

Ultrazvuková aplikácia:
Príprava P(St-BA) latexu
Poly(styrén-r-butylakrylát) P(St-BA) latexové častice boli syntetizované emulznou polymerizáciou v prítomnosti povrchovo aktívnej látky DBSA. 1 g DBSA sa najskôr rozpustil v 100 ml vody v banke s tromi hrdlami a hodnota pH roztoku sa upravila na 2,0. Do roztoku DBSA sa naliali zmiešané monoméry 2,80 g St a 8,40 g BA s iniciátorom AIBN (0,168 g). Emulzia O/W sa pripravovala magnetickým miešaním po dobu 1 hodiny, po ktorej nasledovala sonikácia sonikátorom UIP1000hd vybaveným ultrazvukovým klaksónom (sonda/sonotroda) počas ďalších 30 minút v ľadovom kúpeli. Nakoniec sa polymerizácia uskutočnila pri 90 °C v olejovom kúpeli po dobu 2 hodín v dusíkovej atmosfére.
Odporúčanie zariadenia:
UIP1000hd
Referenčná/výskumná práca:
Výroba pružných vodivých filmov odvodených od poly(3,4-etyléndioxytiofén)epoly(kyselina styrénsulfónová) (PEDOT:PSS) na substráte z netkaných textílií. Materiálová chémia a fyzika 143, 2013. 143-148.
Kliknite sem a prečítajte si viac o sonosyntéze latexu!

Odstraňovanie olova (sonolúhovanie)

Ultrazvuková aplikácia:
Ultrazvukové vylúhovanie olova z kontaminovanej pôdy:
Experimenty s ultrazvukovým lúhovaním boli vykonané s ultrazvukovým homogenizátorom UP400S s titánovou sonickou sondou (priemer 14 mm), ktorá pracuje na frekvencii 20 kHz. Ultrazvuková sonda (sonotrode) bola kalorimetricky kalibrovaná s ultrazvukovou intenzitou nastavenou na 51 ± 0,4 W cm^-2 pre všetky experimenty so sono-lúhovaním. Experimenty so sono-lúhovaním boli termostatované pomocou sklenenej bunky s plochým dnom pri teplote 25 ± 1 °C. Ako roztoky na lúhovanie pôdy (0,1 l) pri sonikácii boli použité tri systémy: 6 ml 0,3 mol l^-2 roztoku kyseliny octovej (pH 3.24), 3 % (v/v) roztoku kyseliny dusičnej (pH 0.17) a tlmivého roztoku kyseliny octovej/acetátu (pH 4.79) pripraveného zmiešaním 60 ml 0f 0.3 mol l^-1 kyselina octová s 19 ml 0,5 mol l^-1 NaOH. Po procese sono-lúhovania boli vzorky filtrované filtračným papierom, aby sa oddelil priesakový roztok od pôdy, po ktorom nasledovalo elektrolytické nanášanie roztoku výluhu olovom a rozklad pôdy po aplikácii ultrazvuku.
Ultrazvuk sa ukázal ako cenný nástroj pri zvyšovaní výluhu olova zo znečistenej pôdy. Ultrazvuk je tiež účinnou metódou na takmer úplné odstránenie vylúhovateľného olova z pôdy, čo vedie k oveľa menej nebezpečnej pôde.
Odporúčanie zariadenia:
UP400S so sonotrodom H14
Referenčná/výskumná práca:
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultrazvukové lúhovanie a elektrochemické ošetrenie v kombinácii s pôdou na odstraňovanie olova. Časopis nových materiálov pre elektrochemické systémy 10, 2007. 195-199.

Pbs – Syntéza nanočastíc sulfidu olovnatého

Ultrazvuková aplikácia:
Pri izbovej teplote 0,151 g octanu olovnatého (Pb(CH)₃COO)2.3H₂O) a 0,03 g TAA (CH₃ČSNH₂) sa pridali do 5 ml iónovej kvapaliny, [EMIM] [EtSO"₄] a 15 ml dvojito destilovanej vody v 50 ml kadičke vystavenej ultrazvukovému ožarovaniu pomocou Hielscherovho sonikátora UP200S po dobu 7 minút. Hrot ultrazvukovej sondy/sonotródy S1 bol ponorený priamo do reakčného roztoku. Vytvorená suspenzia tmavohnedej farby sa odstredila, aby sa zrazenina dostala von, a dvakrát sa premyla dvojitou destilovanou vodou a etanolom, aby sa odstránili nezreagované činidlá. Na preskúmanie vplyvu ultrazvuku na vlastnosti produktov bola pripravená ešte jedna porovnávacia vzorka, pričom sa udržiavajú konštantné reakčné parametre s výnimkou toho, že produkt sa pripravuje za nepretržitého miešania po dobu 24 hodín bez pomoci ultrazvukového žiarenia.
Na prípravu nanočastíc PbS bola navrhnutá ultrazvukom asistovaná syntéza vo vodnej iónovej kvapaline pri izbovej teplote. Táto ekologická metóda pri izbovej teplote a životnom prostredí je rýchla a bez šablón, čo výrazne skracuje čas syntézy a vyhýba sa zložitým syntetickým postupom. Pripravené nanoklastre vykazujú obrovský modrý posun 3,86 eV, ktorý možno pripísať veľmi malej veľkosti častíc a efektu kvantového obmedzenia.
Odporúčanie zariadenia:
UP200S
Referenčná/výskumná práca:
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Príprava a charakterizácia nanočastíc PbS pri jednoduchej a izbovej teplote vo vodnej [EMIM][EtSO4] iónovej kvapaline pomocou ultrazvukového ožarovania. Bulletin Kórejskej chemickej spoločnosti 29/1, 2008. 53-56.

degradácia fenolu

Ultrazvuková aplikácia:
Rokhina et al. (2013) použili kombináciu kyseliny peroctovej (PAA) a heterogénneho katalyzátora (MnO₂) na degradáciu fenolu vo vodnom roztoku pri ultrazvukovom ožarovaní. Ultrazvuk sa uskutočnil pomocou 400W ultrazvukového sondového typu UP400S, ktorý je schopný sonikovať buď nepretržite, alebo v pulznom režime (t. j. 4 sekundy zapnuté a 2 sekundy vypnuté) pri pevnej frekvencii 24 kHz. Vypočítaný celkový príkon, hustota výkonu a intenzita výkonu rozptýlená do systému boli 20 W, 9,5×10^-2 Š/cm^-3a 14,3 W/cm^-2, resp. Počas experimentov sa používal pevný výkon. Na reguláciu teploty vo vnútri reaktora bola použitá ponorná obehová jednotka. Skutočný čas sonikácie bol 4 hodiny, hoci skutočný reakčný čas bol 6 hodín kvôli prevádzke v pulznom režime. V typickom experimente bol sklenený reaktor naplnený 100 ml roztoku fenolu (1,05 mM) a vhodnými dávkami katalyzátora MnO2 a PAA (2 %) v rozmedzí 0–2 g l^-1 a 0–150 ppm. Všetky reakcie sa uskutočnili pri cirkumneutrálnom pH, atmosférickom tlaku a izbovej teplote (22 ± 1 °C).
Ultrazvukom sa zväčšila povrchová plocha katalyzátora, čo viedlo k 4-násobne väčšej ploche povrchu bez zmeny štruktúry. Frekvencia obratu (TOF) sa zvýšila zo 7 x 10^-3 do 12,2 x 10^-3 Min^-1v porovnaní s tichým procesom. Okrem toho nebolo zistené žiadne významné vylúhovanie katalyzátora. Izotermická oxidácia fenolu pri relatívne nízkych koncentráciách činidiel preukázala vysokú rýchlosť odstraňovania fenolu (až 89 %) v miernych podmienkach. Vo všeobecnosti ultrazvuk urýchlil oxidačný proces počas prvých 60 minút (70 % odstránenia fenolu oproti 40 % počas tichého ošetrenia).
Odporúčanie zariadenia:
UP400S
Referenčná/výskumná práca:
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): MnO s ultrazvukom₂ katalyzovaná homolýza kyseliny peroctovej na degradáciu fenolu: Hodnotenie chémie a kinetiky procesu. Časopis chemického inžinierstva 221, 2013. 476–486.

Fenol: Oxidácia fenolu pomocou RuI₃ ako katalyzátor

Ultrazvuková aplikácia:
Heterogénna vodná oxidácia fenolu nad RuI₃ s peroxidom vodíka (H₂O₂): Katalytická oxidácia fenolu (100 ppm) nad RuI₃ ako katalyzátor bol študovaný v 100 ml sklenenom reaktore vybavenom magnetickým miešadlom a regulátorom teploty. Reakčná zmes sa miešala rýchlosťou 800 ot./min počas 1–6 hodín, aby sa zabezpečilo úplné premiešanie pre rovnomerné rozloženie a úplnú suspenziu častíc katalyzátorov. Počas sonikácie sa nevykonalo žiadne mechanické miešanie roztoku v dôsledku narušenia spôsobeného osciláciou a kolapsom kavitačných bublín, čo poskytuje mimoriadne efektívne miešanie. Ultrazvukové ožarovanie roztoku sa uskutočnilo ultrazvukovým meničom UP400S vybaveným ultrazvukovým (tzv. sondovým sondou), schopným pracovať buď nepretržite, alebo v pulznom režime pri pevnej frekvencii 24 kHz a maximálnom výstupnom výkone 400W.
Pre experiment neošetrený RuI₃ ako katalyzátor (0,5–2 gL^-1) sa zaviedla ako suspenzia do reakčného média s následným pridaním H2O2 (30 %, koncentrácia v rozmedzí 200 – 1200 ppm).
Rokhina a kol. vo svojej štúdii zistili, že ultrazvukové ožarovanie zohrávalo významnú úlohu pri modifikácii textúrnych vlastností katalyzátora a vytváralo mikroporéznu štruktúru s väčším povrchom v dôsledku fragmentácie častíc katalyzátora. Okrem toho mal propagačný účinok, pretože zabránil aglomerácii častíc katalyzátora a zlepšil prístup fenolu a peroxidu vodíka k aktívnym miestam katalyzátora.
Dvojnásobné zvýšenie účinnosti procesu s podporou ultrazvuku v porovnaní s tichým oxidačným procesom sa pripisovalo zlepšeniu katalytického správania katalyzátora a tvorbe oxidačných látok, ako sú •OH, •HO2 a •I₂ prostredníctvom štiepenia vodíkových väzieb a rekombinácie radikálov.
Odporúčanie zariadenia:
UP400S
Referenčná/výskumná práca:
Rokhina, E. V.; Lahtinen, M.; Nolte, M. C. M.; Virkutyte, J. (2009): Ultrazvukom asistované heterogénne ruténium katalyzovalo oxidáciu fenolu mokrým peroxidom. Aplikovaná katalýza B: Životné prostredie 87, 2009. 162– 170.

Častice Ag / ZnO potiahnuté PLA

Ultrazvuková aplikácia:
PLA povlak častíc Ag/ZnO: Mikro- a submikročastice Ag/ZnO potiahnuté PLA boli pripravené technikou odparovania emulzného rozpúšťadla olej vo vode. Táto metóda sa uskutočnila nasledujúcim spôsobom. Najprv sa 400 mg polyméru rozpustilo v 4 ml chloroformu. Výsledná koncentrácia polyméru v chloroforme bola 100 mg/ml. Po druhé, roztok polyméru bol emulgovaný vo vodnom roztoku rôznych povrchovo aktívnych systémov (emulgátor, PVA 8-88) za stáleho miešania s homogenizátorom pri rýchlosti miešania 24 000 ot./min. Zmes sa miešala 5 minút a počas tohto obdobia sa formujúca emulzia ochladzovala ľadom. Pomer medzi vodným roztokom povrchovo aktívnej látky a chloroformovým roztokom PLA bol vo všetkých experimentoch identický (4:1). Následne bola získaná emulzia ultrasonikovaná ultrazvukovým zariadením typu sondy UP400S (400 W, 24 kHz) počas 5 minút pri cykle 0,5 a amplitúde 35 %. Nakoniec sa pripravená emulzia preniesla do Erlenmeyerovej banky, premiešala sa a organické rozpúšťadlo sa z emulzie odparilo pod zníženým tlakom, čo nakoniec viedlo k tvorbe časticovej suspenzie. Po odstránení rozpúšťadla sa suspenzia trikrát odstredila, aby sa odstránil emulgátor.
Odporúčanie zariadenia:
UP400S
Referenčná/výskumná práca:
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Hybridné antibakteriálne častice potiahnuté poly (kyselinou L-mliečnou) v mikrovlnnej rúre. Nanocon 2011.

Polyanilínový kompozit

Ultrazvuková aplikácia:
Príprava samodopovaného nano polyanilínového (SPAni) kompozitu na vodnej báze (Sc-WB)
Na prípravu kompozitu SPAni na vodnej báze sa 0,3 g SPAni, syntetizovaný pomocou polymerizácie in-situ v médiu ScCO2, zriedil vodou a sonikoval 2 minúty 1000W ultrazvukovým homogenizátorom UIP1000hd. Potom sa suspenzia homogenizovala pridaním 125 g matrice tvrdidla na vodnej báze po dobu 15 minút a konečná sonikácia sa uskutočnila pri teplote okolia po dobu 5 minút.
Odporúčanie zariadenia:
UIP1000hd
Referenčná/výskumná práca:
Bagherzadeh, M.R.; Mousavinejad, T.; Akbarinezhad, E.; Ghanbarzadeh, A. (2013): Ochranný výkon epoxidového náteru na vodnej báze obsahujúceho ScCO2 syntetizovaný samodopovaný nanopolyanilín. 2013.

Polycyklické aromatické uhľovodíky: Sonochemická degradácia naftalénu, acenaftylénu a fenantrénu

Ultrazvuková aplikácia:
Na sonochemickú degradáciu polycyklických aromatických uhľovodíkov (PAH) naftalénu, acenaftylénu a fenantrénu vo vode sa zmesi vzoriek sonikovali pri teplote 20 °C a 50 μg/l každej cieľovej PAH (150 μg/l celkovej počiatočnej koncentrácie). Ultrazvuk bol aplikovaný ultrazvukom typu rohového typu UP400S (400 W, 24 kHz), ktorý je schopný pracovať buď v nepretržitom alebo pulznom režime. Sonicator UP400S bol vybavený titánovou sondou H7 s hrotom s priemerom 7 mm. Reakcie sa uskutočňovali v 200 ml valcovej sklenenej reakčnej nádobe s titánovým rohom namontovaným na vrchu reakčnej nádoby a utesneným pomocou O-krúžkov a teflónového ventilu. Reakčná nádoba bola umiestnená do vodného kúpeľa na reguláciu teploty procesu. Aby sa predišlo akýmkoľvek fotochemickým reakciám, nádoba bola pokrytá hliníkovou fóliou.
Výsledky analýzy ukázali, že konverzia PAH sa zvyšuje so zvyšujúcim sa trvaním sonikácie.
V prípade naftalénu sa ultrazvukom asistovaná konverzia (ultrazvukový výkon nastavený na 150 W) zvýšila zo 77,6 % dosiahnutých po 30 min. sonikácia na 84,4 % po 60 min. sonikácia.
V prípade acenaftylénu sa ultrazvukom asistovaná konverzia (ultrazvukový výkon nastavený na 150 W) zvýšila zo 77,6 % dosiahnutých po 30 min. sonikácia so 150 W ultrazvukovým výkonom na 84,4 % po 60 min. sonikácia so 150 W ultrazvukom sa zvýšila z 80,7 % dosiahnutých po 30 min. sonikácia so 150 W ultrazvukovým výkonom na 96,6 % po 60 min. sonikácia.
V prípade fenantrénu sa ultrazvukom asistovaná konverzia (ultrazvukový výkon nastavený na 150 W) zvýšila zo 73,8 % dosiahnutých po 30 minútach sonikácie na 83,0 % po 60 minúte sonikácie.
Na zvýšenie účinnosti degradácie je možné peroxid vodíka využiť efektívnejšie, keď sa pridá železnatý ión. Ukázalo sa, že pridanie železnatých iónov má synergické účinky simulujúce reakciu podobnú Fentonovi.
Odporúčanie zariadenia:
UP400S s H7
Referenčná/výskumná práca:
Psillakis, E.; Goula, G.; Kalogerakis, N.; Mantzavinos, D. (2004): Degradácia polycyklických aromatických uhľovodíkov vo vodných roztokoch ultrazvukovým ožarovaním. Časopis nebezpečných materiálov B108, 2004. 95–102.

Odstraňovanie oxidových vrstiev zo substrátov

Ultrazvuková aplikácia:
Na prípravu substrátu pred pestovaním nanovlákienov CuO na substrátoch Cu sa vrstva vnútorného oxidu na povrchu Cu odstránila ultrazvukovou ultrazvukom vzorky v 0,7 M kyseline chlorovodíkovej počas 2 minút pomocou Hielscher UP200S. Vzorka bola ultrazvukom čistená v acetóne po dobu 5 minút, aby sa odstránili organické kontaminanty, dôkladne opláchnutá deionizovanou (DI) vodou a vysušená na stlačenom vzduchu.
Odporúčanie zariadenia:
UP200S alebo UP200St
Referenčná/výskumná práca:
Mashock, M.; Yu, K.; Cui, S.; Mao, S.; Lu, G.; Chen, J. (2012): Modulačné vlastnosti snímania plynu nanodrôtov CuO vytváraním diskrétnych nanodimenzovaných p-n spojov na ich povrchoch. Použité materiály ACS & Rozhrania 4, 2012. 4192−4199.

Voltametrické experimenty

Ultrazvuková aplikácia:
Na ultrazvukom vylepšené voltametrické experimenty bol použitý Hielscher 200 wattový ultrazvuk UP200S vybavený skleneným rohom (hrot s priemerom 13 mm). Ultrazvuk bol aplikovaný s intenzitou 8 W/cm^–2.
Vzhľadom na pomalú rýchlosť difúzie nanočastíc vo vodných roztokoch a vysoký počet redoxných centier na nanočasticu dominujú v priamej voltametrii nanočastíc vo fáze roztoku adsorpčné efekty. Na detekciu nanočastíc bez akumulácie v dôsledku adsorpcie sa musí zvoliť experimentálny prístup s i) dostatočne vysokou koncentráciou nanočastíc, ii) malými elektródami na zlepšenie pomeru signálu k zadnej zemi alebo iii) veľmi rýchlym transportom hmoty.
Preto McKenzie a kol. (2012) použili výkonový ultrazvuk na drastické zlepšenie rýchlosti hromadného transportu nanočastíc smerom k povrchu elektródy. V experimentálnom nastavení je elektróda priamo vystavená ultrazvuku vysokej intenzity so vzdialenosťou elektródy od klaksónu 5 mm a 8 W/cm^–2 intenzita sonikácie vedúca k miešaniu a kavitačnému čisteniu. Testovací redoxný systém, redukcia Ru(NH3) o jeden elektrón₆³⁺ vo vodnej 0,1 M KCl, sa použil na kalibráciu rýchlosti transportu hmoty dosiahnutej za týchto podmienok.
Odporúčanie zariadenia:
UP200S alebo UP200St
Referenčná/výskumná práca:
McKenzie, K. J.; Marken, F. (2001): Priama elektrochémia nanočastíc Fe2O3 vo vodnom roztoku a adsorbovaná na oxid india dopovaný cínom. Čistá aplikovaná chémia, 73/12, 2001. 1885–1894.

Sonikátory pre sonochemické reakcie z laboratória do priemyselného meradla

Spoločnosť Hielscher ponúka celý rad ultrazvukových prístrojov od ručného laboratórneho homogenizátora až po plne priemyselné ultrazvukové procesory pre veľké objemové prúdy. Všetky výsledky dosiahnuté v malom meradle počas testovania, R&D and optimization of an ultrasonic process, can be >linearly scaled up to full commercial production. Sonnikátory Hielscher sú spoľahlivé, robustné a vyrobené pre prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni.
Opýtajte sa nás, ako vyhodnotiť, optimalizovať a škálovať váš proces! Radi vám pomôžeme vo všetkých fázach – Od prvých testov a optimalizácie procesov až po inštaláciu do vašej priemyselnej výrobnej linky!